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用物理学教你如何拉屎的时候压水花 | 正经玩

阿樂&小帕&iu 中科院物理所 2023-07-28

小编在开会的时候听到抱怨

“我蹲马桶的时候又被水花打湿了屁股。”

“是呀,是呀,我也是好烦啊”

难道这个问题不能解决吗?

针对这个问题‍‍‍‍‍‍‍

我们正经玩团队立马进行了“拉翔”验证!



实验器材


蜡烛,小石板,乒乓球,水箱。(实验材料的形状最好不同)


实验过程




第一步:

让蜡烛模拟“翔”做自由落体运动落入水中,观察水花。



是不是还挺明显。


第二步:

让小石板也做自由落体运动落入水中,观察水花。



这个水花更加明显。


第三步:

让比较轻的乒乓球落入水中,观察水花。



因为乒乓球太轻,所以并没有溅起太多水花。


第四步:

将小石板和乒乓球摞在一起,然后一起做自由落体运动落入水中,观察。



动图四可以看到,轻的乒乓球被水花一下子抬了非常高的高度。


如果把小石板和乒乓球当成一个重翔一个轻翔而你恰好排出了这样的形状,那么轻翔会溅到你的[······]

原理解说





这种弹射起来的水流就是沃辛顿射流。当一个物体进入液体时,会向下冲出一个空腔;空腔很快就会发生崩溃,由周围液体填充,填充的液体会向上反冲,形成射流

 

物体进入液体时形成的空腔 | 图片来源:哔哩哔哩@冷科普


沃辛顿射流是一种广泛存在于自然界与人们生活中的现象,除了本文开头提到的“蹲坑难题”之外,像是跳水运动讲究的“压水花“其实就是在想办法减小沃辛顿射流;此外,如果我们仔细观察陨石坑,会发现中心会有凸起,这也是一种沃辛顿射流现象。

 

中心带有凸起的陨石坑照片| 图片来源:哔哩哔哩@冷科普


那么,我们该如何减小沃辛顿射流影响,享受一个不被水花打扰的蹲坑体验呢?


这里有几种方法。首先产生沃辛顿射流需要物体进入水中时有一定的初速度,我们只需要减小这个初速度,就能避免水花的产生,所以我们需要拉出一整个长条的便便不要中断,让便便一点一点进入水中就可以避免水花的产生;其次从实验来看,面积更大的大理石产生的水花比细长的蜡烛要大得多,所以便便越细,越不容易溅起水花;我们还可以从跳水运动员身上找灵感,运动员们为了减小水花,入水时的手势很讲究,整个身体如同尖锥一样,也就是说,要想水花小,便便的形状也很重要尖锥形的最佳;最后,根据实验研究,当物体表面附有疏水油膜时,在水中会产生更大的空腔,产生更大的沃辛顿射流,所以减少便便中油的含量也对减小水花很有帮助。


参考资料:

[1] 有趣的“沃辛顿射流”,抱球跳水能弹几十米高,你知道原理吗?_哔哩哔哩_bilibili

[2] Jamali, M. & Rostamijavanani, A. & Nouri, N. & Navidbakhsh, M.. (2020). An experimental study of cavity and Worthington jet formations caused by a falling sphere into an oil film on water. Applied Ocean Research.


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送出 星际信使:宇宙视角下的人类文明

一本‍

假如一位星际信使从外太空来访地球,你是否好奇他从宇宙视角如何看待人 类文明?全球著名天体物理学家、科普作家尼尔·德格拉斯·泰森基于宇宙视角 书写了科学与社会、真与美、探索与发现、地球与月亮、冲突与解决方案、风险 与回报、肉食主义者与素食主义者、性别与身份、颜色与种族、法律与秩序、身 体与意识、生命与死亡这 12 个值得人类反思的重要议题,以幽默而散文化的语 言带我们重新理解科学与文明。


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